Polarização, a direção em que a luz vibra, é invisível ao olho humano. Ainda, muito do nosso mundo óptico depende do controle e da manipulação dessa qualidade oculta de luz.

Materiais que podem manipular a polarização da luz - conhecidos como materiais birrefringentes - são usados ​​em tudo, desde despertadores digitais a diagnósticos médicos, comunicações e astronomia.

Assim como a polarização da luz pode vibrar ao longo de uma linha reta ou uma elipse, os materiais também podem ser birrefringentes linearmente ou elipticamente. Hoje, a maioria dos materiais birrefringentes são intrinsecamente lineares, o que significa que eles só podem manipular a polarização da luz de uma forma limitada. Se você deseja alcançar ampla manipulação de polarização, você precisa empilhar vários materiais birrefringentes uns sobre os outros, tornando esses dispositivos volumosos e ineficientes.

Agora, pesquisadores da Escola de Engenharia e Ciências Aplicadas de Harvard John A. Paulson projetaram uma metassuperfície que pode ser continuamente ajustada da birrefringência linear à elíptica, abrindo todo o espaço de controle de polarização com apenas um dispositivo. Esta meta-superfície única pode operar tantos materiais birrefringentes em paralelo, permitindo uma manipulação de polarização mais compacta, que poderia ter aplicações de longo alcance em imagens de polarização, óptica quântica, e outras áreas.

A pesquisa é publicada em Avanços da Ciência .

“É um novo tipo de material birrefringente, "disse Zhujun Shi, um ex-aluno de pós-graduação da SEAS e primeiro autor do artigo. "Somos capazes de adaptar o comportamento de ampla polarização de um material além do que existe naturalmente, que tem muitos benefícios práticos. O que costumava exigir três componentes birrefringentes convencionais separados agora só leva um ".

"A capacidade de manipular uma propriedade fundamental da luz como a polarização de maneiras completamente novas com um dispositivo que é compacto e multifuncional terá aplicações importantes para óptica quântica e comunicações ópticas, "disse Federico Capasso, Robert L. Wallace Professor de Física Aplicada e Vinton Hayes Pesquisador Sênior em Engenharia Elétrica no SEAS e autor sênior do artigo.

Metasuperfícies são matrizes de nanopilares com menos de um comprimento de onda que podem realizar uma série de tarefas, incluindo a manipulação da fase, amplitude e polarização da luz. No passado, Capasso e sua equipe projetaram essas superfícies altamente ordenadas desde o início, usando formas geométricas simples com apenas alguns parâmetros de design.

Nesta pesquisa, Contudo, a equipe se voltou para um novo tipo de técnica de design conhecido como otimização topológica.

"A otimização topológica é uma abordagem inversa, "disse Shi." Você começa com o que deseja que a metassuperfície faça e, em seguida, permite que o algoritmo explore o enorme espaço de parâmetros para desenvolver um padrão que possa entregar melhor essa função. "

O resultado foi surpreendente. Em vez de pilares retangulares ordenados como soldados de brinquedo, essa metassuperfície é composta de semicírculos aninhados que lembram rostos sorridentes e tortos - mais como algo que uma criança desenharia do que um computador.

Mas essas formas estranhas abriram um novo mundo de birrefringência. Eles não apenas podem alcançar amplas manipulações de polarização, como transformar a polarização linear em qualquer polarização elíptica desejada, mas a polarização também pode ser ajustada mudando o ângulo da luz de entrada.

"Nossa abordagem tem uma ampla gama de aplicações potenciais em toda a indústria e pesquisa científica, incluindo correção de aberração de polarização em sistemas ópticos avançados, "disse Capasso.